基于物聯(lián)網(wǎng)的實時空氣質(zhì)量智能鬧鐘系統(tǒng)

馬 龍，鄧素碧，何 銘

（1.中興通訊股份有限公司南京研發(fā)中心，江蘇 南京 210012；2.西門子電力自動化有限公司，江蘇 南京 210012；3. 河北省工業(yè)和信息化發(fā)展研究院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

近年來我國空氣污染形勢嚴峻，霧霾天氣頻發(fā)，空氣質(zhì)量已成為人們進行戶外運動不得不考慮的重要因素。人們需要了解實時空氣質(zhì)量并且根據(jù)空氣質(zhì)量及時調(diào)整生活方式。戶外運動時，隨著活動量增加，人的呼吸加深、加速，自然會更多地吸入霧中的有害物質(zhì)，這些可吸入性顆粒物進入人體后會刺激呼吸道黏膜，進而損傷肺部，導(dǎo)致人體呼吸系統(tǒng)疾病。所以當空氣質(zhì)量差時，應(yīng)盡量減少外出，尤其不要進行戶外運動。

目前人們對于空氣質(zhì)量的獲知，一般采取的是主動查詢的方式，也就是到相關(guān)網(wǎng)站查詢空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）。對于喜歡晨練的朋友，往往會遇到這樣的尷尬。他們設(shè)置鬧鐘來鬧醒，在清晨沉睡中被鬧醒后，上網(wǎng)查一下空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），發(fā)現(xiàn)空氣質(zhì)量指數(shù)很大，霧霾嚴重，只能放棄晨練繼續(xù)睡覺，但此時往往就很難入睡。尤其是在寒冷的冬天，這種情況會苦不堪言。除此之外，通過網(wǎng)站查詢到的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，通過統(tǒng)計的方式測量并計算得到的，并不是實時信息。另一方面，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI只代表監(jiān)測點附近的數(shù)據(jù)，并不能反映戶外運動地點的空氣質(zhì)量情況。

基于此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的實時空氣質(zhì)量智能鬧鐘系統(tǒng)（下文簡稱為智能鬧鐘系統(tǒng)），由空氣質(zhì)量傳感器、單片機、網(wǎng)絡(luò)模塊、物聯(lián)網(wǎng)平臺、電源模塊和智能終端模塊組成。通過設(shè)置在戶外運動場所的空氣質(zhì)量傳感器測量實時空氣質(zhì)量，在單片機上對實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行處理，生成空氣質(zhì)量指數(shù)AQI；通過網(wǎng)絡(luò)模塊把實時空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺，運行在智能終端上的智能鬧鐘APP從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取實時空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），對空氣質(zhì)量進行判斷，根據(jù)設(shè)置的鬧醒方式進行智能提醒。

1 智能鬧鐘系統(tǒng)的硬件組成

智能鬧鐘系統(tǒng)由空氣質(zhì)量傳感器、單片機、網(wǎng)絡(luò)模塊、智能終端、電源模塊和物聯(lián)網(wǎng)平臺組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成

1.1 空氣質(zhì)量傳感器

目前主流的空氣質(zhì)量傳感器分為兩種：紅外顆粒物傳感器和激光顆粒物傳感器。紅外傳感器采用紅外發(fā)光二極管作為光源；而激光式傳感器則采用更為穩(wěn)定的激光二極管。在傳感器工作過程中，必要條件之一是流動的空氣通過光源和接收器之間的交叉區(qū)域。為了驅(qū)動氣流，紅外傳感器采用電阻加熱的方式，利用熱空氣帶動周圍氣體流動；激光式傳感器則在內(nèi)部設(shè)有固定的風(fēng)機。信號輸出方面，紅外傳感器內(nèi)部的光電晶體管只能輸出脈寬調(diào)制信號（PWM信號），這種信號需要經(jīng)過進一步計算得出顆粒物濃度范圍；激光傳感器內(nèi)部光電探測器的光電效應(yīng)會產(chǎn)生電流信號，經(jīng)電路放大處理后，得到顆粒物的濃度值，信號一般為串口輸出。紅外傳感器采用電阻加熱方式驅(qū)動氣流，顆粒物的采樣數(shù)較少，測試精度略顯不足；而激光傳感器采用風(fēng)機驅(qū)動，數(shù)據(jù)采集量足夠大，在一定程度上能夠保證數(shù)據(jù)的精確性。

空氣質(zhì)量傳感器設(shè)置在用戶關(guān)注空氣質(zhì)量的場所，如戶外運動場所。如果關(guān)注空氣質(zhì)量的場所有多個，就可以設(shè)置多個空氣質(zhì)量傳感器。

紅外顆粒物傳感器和激光顆粒物傳感器保證了采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時性，把空氣質(zhì)量傳感器設(shè)置在指定場所，保證了采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的位置準確性。從而比網(wǎng)站上查詢的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)具有顯而易見的優(yōu)越性。

1.2 單片機

單片機位于空氣質(zhì)量傳感器和網(wǎng)絡(luò)模塊之間，空氣質(zhì)量傳感器采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進入單片機，單片機對這些數(shù)據(jù)進行處理，包括數(shù)據(jù)接收、邏輯運算、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)送等。空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，傳送到網(wǎng)絡(luò)模塊。為了方便調(diào)試和數(shù)據(jù)處理，單片機一般使用開發(fā)板。

1.3 網(wǎng)絡(luò)模塊

單片機和物聯(lián)網(wǎng)平臺之間、智能終端和物聯(lián)網(wǎng)平臺之間存在數(shù)據(jù)傳輸，使用網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。網(wǎng)絡(luò)模塊使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，常見的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)包括ZigBee、移動通信網(wǎng)絡(luò)（4G、5G）、WiFi、物聯(lián)網(wǎng)等。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個中間層，一方面位于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（以及數(shù)據(jù)）層之間，另一方面位于應(yīng)用程序之間。物聯(lián)網(wǎng)平臺提供對外讀/寫接口，以接收網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)目諝赓|(zhì)量指數(shù)并進行存儲和供智能終端獲取數(shù)據(jù)。

1.5 智能終端模塊

智能終端模塊包括智能終端和鬧鐘APP。智能終端需要具有網(wǎng)絡(luò)功能，連接互聯(lián)網(wǎng)后可以從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取數(shù)據(jù)，鬧鐘APP運行于智能終端，提供設(shè)置功能，可以對于空氣質(zhì)量指數(shù)的鬧鐘門限、鬧鐘時間和鬧鐘方式進行設(shè)置，鬧鐘APP根據(jù)設(shè)置對用戶進行智能鬧醒，常見的智能終端有智能手機、平板電腦、智能手表、智能手環(huán)、智能鬧鐘等。鬧鐘APP支持設(shè)置多個鬧鐘。根據(jù)設(shè)置的鬧鐘門限使用設(shè)置的鬧鐘方式進行鬧醒，體現(xiàn)了鬧鐘的智能性。

1.6 電源模塊

電源模塊對空氣質(zhì)量采集模塊、單片機、網(wǎng)絡(luò)模塊和智能終端模塊進行供電，保證各模塊正常工作。

電源模塊使用9 V直流電源給單片機供電，由單片機的輸出電壓引腳給空氣質(zhì)量傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊供電，智能終端一般則由自帶電池供電。

2 智能鬧鐘系統(tǒng)的軟件組成

智能鬧鐘系統(tǒng)的軟件包括單片機軟件、網(wǎng)絡(luò)模塊軟件和智能終端上的鬧鐘APP軟件。

2.1 單片機軟件

單片機軟件功能包括：

（1）獲取空氣質(zhì)量傳感器采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)；

（2）處理空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，得到空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）；

（3）把空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）送到網(wǎng)絡(luò)模塊；

（4）其他必要的管理功能，如單片機管腳設(shè)置等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊軟件

網(wǎng)絡(luò)模塊軟件功能包括：

（1）對網(wǎng)絡(luò)模塊進行設(shè)置，利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以連接到互聯(lián)網(wǎng)；

（2）空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.3 鬧鐘APP軟件

鬧鐘APP軟件至少具有以下功能：

（1）設(shè)置鬧鐘時間；

（2）設(shè)置鬧鐘方式，比如音樂或者鈴聲等；

（3）設(shè)置空氣質(zhì)量指數(shù)的鬧鐘門限；

（4）通過智能終端連接到互聯(lián)網(wǎng)，從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取指定地點的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)；

（5）當?shù)竭_鬧鐘設(shè)置時間時，并且空氣質(zhì)量指數(shù)AQI小于空氣質(zhì)量指數(shù)的鬧鐘門限，便以設(shè)定的鬧鐘方式進行鬧醒，否則不進行鬧醒。

3 智能鬧鐘系統(tǒng)的工作過程

智能鬧鐘系統(tǒng)實時采集天氣信息，并根據(jù)空氣質(zhì)量情況進行智能鬧醒，在適合戶外運動的天氣，進行鬧醒；在不適合戶外運動的天氣，則不會進行鬧醒。

設(shè)置在戶外運動場所的空氣質(zhì)量傳感器實時采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，在單片機上對實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行處理得到空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），通過網(wǎng)絡(luò)模塊把實時空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺，運行在智能終端上的智能鬧鐘APP從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取實時空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），對空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）進行判斷，根據(jù)設(shè)置進行智能鬧醒。

3.1 前置過程

前置過程就是使智能鬧鐘系統(tǒng)正常工作的準備工作，主要包括以下幾個方面：

（1）對網(wǎng)絡(luò)模塊進行設(shè)置，能夠接收單片機的數(shù)據(jù)；

（2）配置物聯(lián)網(wǎng)平臺，能夠存儲數(shù)據(jù)，并能夠?qū)ν馓峁?shù)據(jù)寫入和查詢接口；

（3）編寫鬧鐘APP程序，并在智能手機運行，鬧鐘APP支持設(shè)置空氣質(zhì)量的鬧鐘門限、鬧鐘時間和鬧鐘方式等；

（4）使用直流電源給單片機、空氣質(zhì)量傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊供電，保證各模塊正常工作。

3.2 數(shù)據(jù)的采集和存儲

數(shù)據(jù)的采集和存儲，即智能鬧鐘系統(tǒng)實時采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理和存儲，供鬧鐘APP使用。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集：利用空氣質(zhì)量傳感器實時采集空氣質(zhì)量信息數(shù)據(jù)，并輸出到單片機。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理：單片機對接收的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，進行邏輯運算和處理，得到空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）。

空氣質(zhì)量指數(shù)的傳送：空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）通過網(wǎng)絡(luò)模塊，發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺。

空氣質(zhì)量指數(shù)的存儲：物聯(lián)網(wǎng)平臺收到空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）后存儲到數(shù)據(jù)庫。

3.3 鬧鐘APP流程

在智能終端上運行鬧鐘APP，其工作過程描述如下：

（1）設(shè)置空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的采集地點、鬧鐘門限值、鬧鐘時間和鬧鐘方式；

（2）取當前時間；

（3）當前時間和設(shè)置的鬧鐘時間進行比較，如果鬧鐘時間和當前時間相等則執(zhí)行步驟（4），否則執(zhí)行步驟（2）；

（4）從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取當前空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）；

（5）當前空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和設(shè)置的鬧鐘門限值進行比較，如果小于鬧鐘門限值，執(zhí)行步驟，否則執(zhí)行步驟（7）；

（6）使用設(shè)置的鬧鐘方式進行鬧醒；

（7）結(jié)束。

鬧鐘APP具體的工作流程如圖2所示。

圖2 鬧鐘APP工作流程

4 智能鬧鐘系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了方便快捷地實現(xiàn)智能鬧鐘系統(tǒng)，本文采用了Arduino開源電子原型平臺。

Arduino包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分則是Arduino IDE，即計算機中的程序開發(fā)環(huán)境。在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，Arduino電路板便會執(zhí)行程序。

為了保證空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的實時性，本文中空氣質(zhì)量傳感器選用激光空氣質(zhì)量傳感器，利用激光散射原理，即激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線。激光空氣質(zhì)量傳感器能檢測PM2.5和PM10，通過串口通信輸出數(shù)據(jù)。

單片機使用Arduino mega 2560 R3開發(fā)板，該單片機以ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，其本身具有54組數(shù)字I/O input/output端（其中14組可做PWM輸出），16組模擬比輸入端，4組Uart（hardware serial ports），使用16 MHz Crystal Oscillator。由于具有Bootloader，能夠通過USB直接下載程序而不需經(jīng)過其他外部燒寫器。供電部份可選擇由USB直接提供電源，或者使用ac-to-dc adapter及電池作為外部供電。

網(wǎng)絡(luò)模塊使用ESP8266 WiFi芯片，該芯片使用3.3 V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴重，而且價格超低。功能簡單來講就是：從WiFi接收到數(shù)據(jù)，串口輸出；從串口接收數(shù)據(jù)，WiFi輸出數(shù)據(jù)。

智能終端使用安卓智能手機，鬧鐘APP自行開發(fā)，具有設(shè)置鬧鐘時間、選擇空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集地點、空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的鬧鐘門限和鬧鐘方式等功能。

物聯(lián)網(wǎng)平臺使用免費的貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺，該平臺用戶通信協(xié)議分為兩部分：

（1）非實時通信，以傳統(tǒng)HTTP（S）API方式實現(xiàn)；

（2）實時通信，以TCP、WebSocket長連接方式實現(xiàn)。

另外，電源模塊使用9 V直流電源給單片機供電，由單片機的輸出電壓引腳給空氣質(zhì)量傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊供電，智能手機則由自帶電池供電。

按照前文的系統(tǒng)構(gòu)成對系統(tǒng)進行搭建，把激光空氣質(zhì)量傳感器、單片機Arduino mega 2560 R3、ESP8266 WiFi芯片依次連接并設(shè)置在指定地點，在單片機Arduino mega 2560 R3進行編程，對來自激光空氣質(zhì)量傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）；對ESP8266 WiFi無線芯片進行設(shè)置，利用本地WiFi資源，可以連接到互聯(lián)網(wǎng)，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI通過ESP8266 WiFi芯片發(fā)送到貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺并進行存儲。

運行安卓智能手機的鬧鐘APP，并進行設(shè)置：鬧鐘時間在上午6：00時，獲取指定地點的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的鬧鐘門限為100，鬧鐘方式為播放音樂。

當上午6：00時整，鬧鐘APP從貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺上獲取指定地點的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），并和鬧鐘門限100進行比較。當空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）小于100時，播放音樂進行鬧醒；當空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）大于等于100時，鬧鐘APP則不播放音樂進行鬧醒。

5 結(jié) 語

一般情況下，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI和鬧鐘是沒有聯(lián)系的，但有的情況下，需要把二者關(guān)聯(lián)起來，比如晨練者希望在空氣質(zhì)量差的時候不要鬧醒，在空氣質(zhì)量好的時候鬧醒進行晨練。傳統(tǒng)的先鬧醒再查詢空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的方式，不利于晨練人員的休息，并且查詢到的空氣質(zhì)量指數(shù)并非實時指數(shù)，也不一定是戶外活動地點的信息，很可能給晨練人員錯誤的指示。智能鬧鐘系統(tǒng)通過激光空氣質(zhì)量傳感器實時采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，單片機對其運算處理得到空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI），經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)模塊把空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺進行存儲，供智能終端模塊進行查詢使用。智能終端模塊把空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）和鬧鐘結(jié)合起來，把空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）作為觸發(fā)鬧鐘的條件，避免了在空氣質(zhì)量指數(shù)超過鬧醒門限時的鬧醒，并且獲取的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）是戶外活動地點的實時信息，保證了信息的準確和及時性，并且在空氣不好的情況下，保證了晨練人員的休息。

進一步地，基于智能鬧鐘系統(tǒng)的設(shè)計思想，可以使用雨量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器和紫外線傳感器對下雨、溫度、濕度、氣壓和紫外線等的天氣情況進行實時采集，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的針對上述實時天氣信息的提醒系統(tǒng)，應(yīng)用于不同的場景，對于人們健康的戶外活動和生活具有準確科學(xué)的指導(dǎo)意義。